Наука - Нобель 2006

Наука - Нобель 2006

Кто стал миллионером
В этом году самые престижные премии, присуждаемые Шведской королевской академией наук за научные достижения, достались американцам.

Космический шум

Нобелевская премия по физике в этом году досталась космологам. Ее получили один из руководителей астрофизических исследований NАSА Джон Мазер и профессор Калифорнийского университета в Беркли Джордж Смут «за открытие чернотельной формы и анизотропии космического микроволнового фонового излучения».

Работа Мазера и Смута стала прямым продолжением другого исследования, тоже отмеченного Нобелевской премией. В 1964 году радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон занимались измерениями радиошума нашей Галактики. Из теоретических соображений следовало, что в сантиметровом диапазоне Галактика практически должна молчать. Тем не менее антенна Пензиаса и Вильсона уловила слабый, но стабильный сигнал на волне 7,35 см, который с одинаковой силой приходил со всех направлений и поэтому заведомо не мог иметь внутригалактического происхождения. Исключив все мыслимые источники шумов, ученые к началу 1965 года доказали, что спектральный состав таинственного сигнала приблизительно соответствует спектру излучения абсолютно черного тела, нагретого до 3,5 К. Пензиас и Вильсон поначалу не знали, что может означать их открытие, но им помог счастливый случай. Как раз тогда принстонские астрофизики Роберт Дике и Джеймс Пиблс показали, что из теории горячего рождения Вселенной вытекает существование изотропного космического излучения с чернотельным спектром. Оно сохранилось с тех времен, когда расширение космоса до такой степени охладило водородно-гелиевую космическую плазму, что та превратилась в нейтральный газ. Фотоны, которые ранее были «заперты» внутри плазмы, не могли рассеиваться на нейтральных атомах и впервые с момента Большого взрыва стали свободно распространяться по всему пространству. С тех пор это излучение остыло в сто раз, но сохранило чернотельный характер. Пензиас с Вильсоном и члены группы Дике обсудили свои результаты и опубликовали их в одном и том же выпуске «Астрофизического журнала». Это стало началом подлинной революции в космологии, которая привела к массовому признанию теории Большого взрыва. Однако даже великие революции нуждаются в завершении. Интенсивность трехградусного чернотельного излучения достигает максимума на волнах длиной порядка миллиметра, которые поглощаются нижними слоями земной атмосферы. Пензиас с Вильсоном зарегистрировали лишь длинноволновый хвост фоновой радиации, но для окончательного восстановления ее спектра требовались промеры на многих частотах. Поначалу их вели с помощью приборов, размещенных на высокогорных обсерваториях и аэростатах. В 1970–1980-е годы такие измерения проводились неоднократно, но все точки над «и» они все же не ставили. Надо было выходить в космос.

Это и сделали Мазер со Смутом. Они и их единомышленники убедили руководство NASA выделить деньги на запуск спутника с приборами для детального спектрального анализа фонового излучения. Этот аппарат, Cosmic Background Explorer, в ноябре 1989 года был отправлен в околоземное пространство, где проработал около четырех лет. Созданный под руководством Мазера спектрофотометр прощупал интенсивность излучения на тридцати четырех частотах в диапазоне 0,5–5 мм. Эти измерения окончательно доказали чернотельную форму спектра и позволили определить температуру излучения с невиданной ранее точностью – 2,726 К. Джордж Смут руководил созданием и работой другого прибора, дифференциального микроволнового радиометра. С его помощью впервые удалось доказать, что температура фонового излучения, приходящего с разных участков небосвода, колеблется с амплитудой порядка одной стотысячной доли градуса. Эти флуктуации, так называемая анизотропия излучения, означают, что плотность материи в ранней Вселенной не была одинаковой по всему ее объему. Участки с повышенной плотностью стали зонами гравитационного сгущения материи и со временем дали начало первым галактикам. Вот за эти открытия Мазер и Смут и получили свою «нобелевку».

Рабочая династия Корнбергов

Нобелевскую премию 2006 года по химии получил 59-летний профессор Стэнфордского университета Роджер Корнберг «за изучение механизма транскрипции – синтеза матричной РНК – в клетках эукариотических организмов». ДНК играет в клетке роль архивного носителя информации о последовательности аминокислот в белках (и косвенно – об их функциях, в конечном итоге определяемых структурой). Рибосомы, клеточные фабрики белков, считывают информацию с промежуточных носителей, матричных РНК. Ключевую роль в процессе транскрипции – перевода генетического кода с языка ДНК на язык РНК – играет фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза. Ее молекула распознает промотор – участок в начале гена, включающий закодированные в коротких последовательностях нуклеотидов команды «на старт», «внимание» и «марш», расплетает двойную спираль ДНК и перемещается вдоль одной из ее нитей. «Позади» РНК-полимеразы нити двойной спирали снова соединяются, а сама она по мере перемещения по ДНК синтезирует молекулу РНК с последовательностью оснований, комплементарной последовательности нуклеотидов на нити-матрице. (На всякий случай напомним, что РНК отличается от ДНК тем, что в состав ее нуклеотидов входит рибоза, а не дезоксирибоза, одно из четырех азотистых оснований – тимин – в РНК заменен на урацил, а молекулы РНК состоят из одной нити, которая иногда складывается в «шпильки» и сложные трехмерные структуры за счет соединения комплементарных участков.) Транскрипция прекращается, когда РНК-полимераза доходит до терминатора – последовательности нуклеотидов, кодирующих команду «стоп». Структура и механизм работы РНК-полимеразы, как и других участвующих в процессе транскрипции белков, были известны и до Корнберга. Лучше были изучены РНК-полимеразы прокариот – не имеющих клеточного ядра бактерий и сине-зеленых водорослей. У эукариот (организмов с линейными, а не кольцевыми, как у бактерий, хромосомами, находящимися в отделенном от цитоплазмы клетки ядре) процесс транскрипции организован сложнее – начиная с того, что в клетках эукариот существует не одна универсальная, а три разных РНК-полимеразы, синтезирующие матричные, рибосомальные и транспортные РНК. Корнберг разработал методику анализа структуры и функций белков, сочетающую биохимические методы с кристаллографией и электронной микроскопией и позволяющую получить молекулярную картину транскрипции с разрешением около трех ангстремов. Этот подход позволил буквально с точностью до атома описать каждое мгновение этапов узнавания промотора, инициации транскрипции, присоединения очередного рибонуклеотида, отсоединения вновь синтезированной РНК от матричной ДНК и терминации транскрипции. Работа была выполнена на легко размножающихся в неволе дрожжах, но у цветочков, бабочек и у нас с вами РНК-полимеразы, хотя и отличаются деталями строения, устроены сходно и работают одинаково. В июне 2001 года Роджер Корнберг и его сотрудники опубликовали в журнале Science две статьи с молекулярными портретами работы РНК-полимеразы – с разрешением 0,33 и 0,28 нм. Р. Корнберг уже получил множество научных наград, в том числе и Большую премию Французской академии наук (в 2002 году). Работой нобелевского уровня считают сделанное им в 1970-х совместно с женой Яли Лорч, тоже профессором Стэнфорда, исследование нуклеосом – первого звена сверхспиральной упаковки ДНК в клетках. А одним из первых Роджера поздравил его отец, Артур Корнберг, тоже стэнфордский профессор и… лауреат Нобелевской премии 1959 года по физиологии и медицине «за исследование механизмов биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот».

Поймай удачу за хвост

Нобелевскую премию 2006 года по физиологии и медицине «за открытие механизма РНК-интерференции (подавления экспрессии генов двухцепочечной РНК)» получили два молодых профессора, 47-летний Эндрю Файр из Стэнфордского университета и 45-летний Крейг Мелло из Массачусетсского технологического. Первые данные о возможности блокировать экспрессию генов – синтез закодированных в них белков – с помощью антисмысловых одноцепочечных фрагментов РНК, комплементарных части молекулы мРНК, были получены еще в 1980-х годах. Было показано, что бактерии, растения, низшие животные используют этот механизм для подавления синтеза вирусных белков. Предпринимались даже попытки создания вирусоустойчивых растений, клетки которых синтезировали РНК, нейтрализующие собственную РНК вирусов или мРНК, на которых синтезируются белки их оболочки, но этот метод оказался недостаточно эффективным. В экспериментах с нематодами Caenorhabditis elegans (этому микроскопическому червячку давно пора поставить памятник за его вклад в молекулярную биологию и генетику) Файр и Мелло планировали подавлять экспрессию генов с помощью одноцепочечных РНК, а двухцепочечные вводили для контроля. Так что нобелевское открытие они сделали в общем-то случайно – но, обнаружив, что двухцепочечные фрагменты работают намного лучше, сумели оценить их потенциальные возможности.

После публикации в журнале Nature (февраль 1998 года) число работ, посвященных малым интерферирующим РНК (siRNA, small interfering RiboNucleic Acids) росло как снежный ком. Многое стало известно об участии si-РНК в упаковке ДНК в ядре клетки и об их роли в регуляции экспрессии генов не только при заражении вирусами, но и в норме (в частности, в процессах специализации клеток). Малые РНК играют важную роль в защите клеток от мутаций: с их помощью из хромосом вырезаются транспозоны и другие мобильные генетические элементы – «прыгающие» участки ДНК. Похоже, что механизм РНК-интерференции активно участвует в регуляции программы «созревания» клеток.

Разумеется, механизм действия si-РНК изучен еще не до конца. Но даже без понимания деталей РНК-интерференция оказалась очень удобным инструментом для исследований в области функциональной геномики. С ее помощью можно выключить определенный ген намного быстрее и проще, чем это делалось до открытия si-РНК. И в генной инженерии еще один способ подавления экспрессии генов, несомненно, окажется полезным. А фармакологи обеими руками ухватились за новый класс веществ, позволяющих остановить синтез белков, патологически измененных в результате мутации или позволяющих вирусу проникнуть в клетку. Многие лаборатории мира уже сейчас работают над новыми методами лечения различных болезней, в том числе и рака, с использованием РНК-интерференции. Для внедрения этого метода генотерапии в практику придется решить множество проблем, но si-РНК – открытие несомненно нобелевского уровня. Однако нельзя не отметить, что присуждение этой премии сразу же вызвало вполне обоснованные возражения в ученом мире. Дело в том, что почти все результаты, принесшие лауреатство Файру и Мелло, были получены еще в первой половине 1990-х годов в результате экспериментов на растениях и вирусах растений. Больше всего в этой области сделал англичанин Дэвид Болкомб, с которым американцы по справедливости должны были бы разделить Нобелевскую премию. Но Шведская королевская академия наук рассудила иначе...

«Реликт» – предшественник Сове

В СССР тоже велось активное изучение реликтового излучения. Проект «Реликт» стал предшественником измерений, проведенных на спутнике COBE. «Вскоре после открытия микроволнового фонового излучения физики поняли, что оно содержит зашифрованную информацию о флуктуациях плотности ранней Вселенной, которую можно извлечь, зарегистрировав его анизотропию, – вспоминает Роальд Зиннурович Сагдеев, действительный член РАН, профессор физики Мэрилендского университета, который в то время был директором Института космических исследований (ИКИ). – В СССР такую инициативу первым проявил выдающийся физик и астрофизик Яков Борисович Зельдович, под крылом которого в ИКИ и шли работы над проектом ‘Реликт’. Их вел замечательный радиоэлектронщик Игорь Аркадьевич Струков, буквально своими руками сумевший сделать в небольшой лаборатории очень чувствительный радиометр, который летом 1983 года был отправлен в околоземное пространство на спутнике ‘Прогноз-9’. Он стал первым научным инструментом космического базирования, выполнившим мониторинг реликтового излучения.

Мы рассматривали этот проект как своего рода пробу пера, отработку технологии измерений, прелюдию к будущему эксперименту ‘Реликт-2’. Предполагалось, что в район второй точки Лагранжа на околосолнечную орбиту будет запущен зонд с более совершенной аппаратурой для регистрации реликтового излучения. У Струкова уже был готов прототип нового сверхчувствительного радиометра, который в ходе лабораторных испытаний показал просто выдающиеся результаты. Его вполне можно было отправить в космос на одном из серийных ‘Прогнозов’, никаких новых спутников не требовалось. Этот проект вошел в государственную программу космических исследований, но ему не повезло. Эксперимент ‘Реликт-2’ так никогда и не был осуществлен, хотя больших денег для этого не требовалось. Мы могли бы стать первопроходцами в этой области науки о космосе, но вот не вышло. Я уверен, что если бы ‘Реликт-2’ состоялся, то сегодня мы бы имели в новой нобелевской команде еще и третьего лауреата, Игоря Струкова».